CN1492617A - 阵列式波导多路复用/解复用器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种阵列式波导多路复用/解复用器，包括输入波导1、输入平板波导2、波导阵列3、输出平板波导4、输出波导5，相邻波导长度差恒定的波导阵列3连接了输入平板波导2和输出平板波导4，不少于两个的输出波导5与输出平板波导4相连，在输入波导1与输入平板波导2或输出波导5与输出平板波导4之间接入了一个带分支的梯形波导耦合器6，带分支的梯形波导耦合器6包括普通的单模或准单模波导12及在沿着从波导到平板波导方向逐渐变窄的梯形波导14，即梯形波导14的窄端与平板波导连接，在梯形波导14的两侧反向对称放置两个梯形波导13a和13b，即梯形波导13a和13b的宽端与平板波导连接。

Description

阵列式波导多路复用/解复用器

技术领域

本发明涉及一种阵列式波导多路复用/解复用器，特别是具有低串扰平坦光谱响应的阵列式波导多路复用/解复用器，属于光传输领域的波分复用技术中的波导阵列光栅型光波长多路复用/解复用器。

背景技术

随着光传输研究的发展，波分复用技术已经成为一种增大通信信息容量的有效手段。所谓波分复用是指将多个不同波长的光合到同一根波导或光纤中传输，解复用是将同一根波导或光纤中的不同波长的光按照波长分别分到不同波导或光纤中的技术。实现波分复用技术的关键部分是波分复用器。波导阵列光栅(Arrayed Waveguide Grating，简称AWG)型波分复用/解复用(WDM)器件(AWGR)具有信道间隔小、易于同其它器件集成、体积小、性能稳定、易于批量生产、以及成本低的特点而得到了快速的发展。

然而，由于典型的波导阵列光栅型光波长多路解复用器的干涉图样与输出波导的导模都具有高斯形状，所以它们显示的光谱响应也是高斯型的。这样对光源的光谱变化就有一个严格的限制，特别在很多波长多路解复用器级联的情况下，总体的光谱响应的通带带宽会减小，这必然会增加系统的成本，为了解决这个问题，必须使得各个通道的光谱响应是平坦的。为了提高波分复用器以及采用波分复用器的通信系统的传输质量，波分复用器的串扰水平也是很重要的一项指标。本发明的精神在于通过适当的结构实现波分复用器的光谱响应的平坦性和低串扰特性。

图1所示的是一个AWG型波长解复用器的原理图，图中1所表示的是输入波导，用来传播输入光，2表示的是一个平板波导，光在其中可以自由传播，具有让从波导1中入射到2中的光发散的作用，3表示的是许多波导并排排列组成的波导阵列，4是与2结构相同的平板波导，5表示的是一些并排排列的输出波导。平板波导2将波导1和波导阵列3连接起来，平板波导4将波导5和波导阵列3连接起来。图1是一个原理图，波导1可以是1根或多根，阵列波导3可以有很多根，通常超过100根，输出波导5一般超过两根，根据设计要求选取。阵列波导中任意相邻的两个波导长度差恒定。它的波长解复用原理是：一组间隔恒定的波长分别为λ₁，λ₂，λ₃...，λ_i-1，λ_i的光从同一根输入波导中输入，它们在波导2中会发散，能量会分布到各个阵列波导5中，由于相邻阵列波导有一个固定的长度差，所以各个阵列波导中光在经过阵列波导到达波导4时，相邻阵列波导中的光会有一个确定的光程差，这样在通过波导4以后，在波导4和波导5连接端会形成干涉图样，不同波长的光干涉的最强点位置不同，将输出波导与平板波导5连接的位置设置在这些干涉最强点，这样不同波长的光就会从不同输出波导输出，从而实现了解复用。反之，根据可逆性原理，如果不同波长的光从相应的输出波导输入，在经过AWG结构后，会从同一根波导1输出，从而也可以实现波长复用功能。

具体原理是，假设光入射到输入波导中的中心波导中，可以得到光栅方程为

             n_slabdsinθ+n_g·ΔL＝mλ，           (1)其中，n_slab表示平板波导2和4的有效折射率，n_g是阵列波导的有效折射率，ΔL是相邻阵列波导的长度差，λ是入射光的波长，θ是光在平板波导4中的衍射角，m是衍射级数，为整数，而d为AWG的栅距。

式1中θ为零时波长对应的值λ₀是中心波长，其定义为

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{n_g\mathrm{\ΔL}}{m}.----\left(2\right)$

根据表达式(1)，在中心波长附近对波长λ微分就可以得到色散公式

$\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{d\λ}}=\frac{m(n_g-{\mathrm{\λdn}}_g/\mathrm{d\λ})}{d{n}_{\mathrm{slab}}{n}_g}.----\left(3\right)$

根据表达式(3)，可以看到不同的波长的入射光会有不同的波前方向，那么在平板波导4上输出圆上聚焦的位置也就不同。

如果输入波导和输出波导是单模波导，它们的基本模场形式近似为高斯状，所以，输入波导中的场在经过AWG后干涉所成的像也是高斯型。所以输出波导的光谱响应也是高斯型。这样对光源的光谱变化就有一个严格的限制，特别在很多波长多路解复用器级联的情况下，总体的光谱向应的通带带宽会减小，这必然会增加系统的成本。为了解决这个问题，必须使得各个通道的光谱响应具有足够宽的带宽。

目前已经有多种方案用于获得宽带宽的通道光谱响应。这几种方法的共同原理都是使得输入波导中的场在经过AWGR以后干涉所成的像不是高斯型，而是一个如图2所示的形状，它的顶端具有两个峰或者是平坦的，这样输出波导的谱响应就具有一个相对平坦的结构，从而增加通带的带宽，如图3所示。

授权给Corrado Pietro Dragone，Lucent Technology的美国专利US6195482。是在先前他自己的美国专利US5467418基础上的改进，该方法是在一定范围内调整一部分阵列波导的长度差，使得各个阵列波导3中场在到达平板波导4后叠加的总的场的分布具有正弦形式，根据反傅立叶变换，可以得到这个场在经过平板波导4后干涉图样为矩形，这样就可以获得平坦的输出谱响应，但是在设计中要有意地根据各个阵列波导中的光强给出损耗，以此来获得正弦的场分布。该方案增大了插入损耗，同时阵列波导结构也比较复杂，工艺上比较困难。

第二种是在输入波导1与平板波导2之间加入一个Y型分支，或者一个多模干涉波导，由于在平板波导与这个Y分支(或多模干涉波导)连接处，Y分支或者多模干涉波导可以实现如图2所示的场分布，这样这种场分布在通过AWGR之后的干涉图样也具有如图3所示的场分布，所以可以实现平坦的光谱响应，这也是用得较多的方法，但是该方法一般具有较大的插损，但是不论是多模波导还是Y分支，都存在比较大的辐射损耗，这样它们通过AWG后的所成干涉图样的场的分布就具有比较大的边凸，这样导致比较大的串扰。

发明内容

本发明的目的是克服上述问题，基于阵列波导1光栅的波分复用器的输入波导采用一种新型具有分支结构的梯形耦合器结构，输出波导采用一种梯型波导，设计一种可以获得具有较宽带宽和很低串扰的传输谱特性的阵列式波导多路复用/解复用器。

本发明的技术方案：本发明的阵列式波导多路复用/解复用器包括输入波导1、输入平板波导2、波导阵列3、输出平板波导4、输出波导5，相邻波导长度差恒定的波导阵列3连接了输入平板波导2和输出平板波导4，不少于两个的输出波导5与输出平板波导4相连，其特征是：在输入波导1与输入平板波导2或者输出波导5与输出平板波导4之间接入了一个带分支的梯形波导耦合器6，带分支的梯形波导耦合器6包括普通的单模或准单模波导12及在沿着从波导到平板波导方向逐渐变窄的梯形波导14，即梯形波导14的窄端与平板波导连接，在梯形波导14的两侧反向对称放置两个梯形波导13a和13b，即梯形波导13a和13b的宽端与平板波导连接。

所述的阵列式波导多路复用/解复用器，两个梯形波导13a和13b的宽端与梯形波导14的间隙W₃小于另一端即窄端与梯形波导14的间隙W₆。

所述的阵列式波导多路复用/解复用器，带分支的梯形波导耦合器6在输入端，普通的单模或准单模波导12及在沿着从波导到平板波导方向逐渐变窄形成梯形波导14，即梯形波导14的窄端与输入平板波导2连接，在梯形波导14的两侧反向对称放置两个梯形波导13a和13b，即梯形波导13a和13b的宽端与输入平板波导2连接。

所述的阵列式波导多路复用/解复用器，带分支的梯形波导耦合器6在输出端时，带分支的梯形波导耦合器6包括普通的单模或准单模波导12及在沿着从输出波导到输出平板波导4方向逐渐变窄的梯形波导14，即梯形波导14的窄端与输出平板波导4连接，在梯形波导14的两侧反向对称放置两个梯形波导13a和13b，即梯形波导13a和13b的宽端与输出平板波导4连接。

所述的阵列式波导多路复用/解复用器，带分支的梯形波导耦合器6在输入端时，在输出平板波导4与输出波导5之间由梯形波导7连接，梯形波导7的宽端与输出平板波导4连接，其窄端与输出波导5连接，其窄端宽度与输出波导5的宽度相同。

所述的阵列式波导多路复用/解复周器，带分支的梯形波导耦合器6在输出端时，在输入平板波导2与输入波导1之间由梯形波导7连接，梯形波导7的宽端与输入平板波导2连接，其窄端与输入波导1连接，其窄端宽度与输入波导1的宽度相同。

本发明的优点：依照本发明的精神制作的阵列式波导多路复用/解复用器具有较宽带宽和很低串扰的传输谱特性，应用这种技术的波分复用器或系统将具有更好的传输特性和通信质量。

附图说明

图1是一个现有AWG型波长解复用器的原理图；

图2是顶端具有两个峰的输出波导的谱响应示意图；

图3是顶端具有平坦输出波导的谱响应示意图；

图4是本发明的AWG型波长复用器结构示意图；

图5是带分支的梯形波导耦合器6的具体结构图；

图6是输入端带分支的梯形波导耦合器和具有梯形结构的输出波导相结合形式；

图7表示利用带分支的梯形波导耦合器6(实线)和多模干涉结构(虚线)实现的平坦谱响应的对比；

图8表示本发明实现方式1，在输入波导1与输入平板波导2之间加入带分支的梯形波导耦合器6；

图9表示本发明实现方式2，在输入波导1与输入平板波导2之间加入梯形波导耦合器6，输出波导5与输出平板波导4之间加入梯形波导7；

图10表示本发明实现方式3，在输出波导5与输出平板波导4之间加入带分支的梯形波导耦合器6；

图11表示本发明实现方式4，在输出波导5与输出平板波导4之间加入带分支的梯形波导耦合器6，输入波导1与输入平板波导2之间加入梯形波导7；

图12表示依照本发明制作的一种粗波分复用器部分输出通道光谱响应的测试结果图；

图13表示依照本发明制作的一种密集波分复用器部分输出通道光谱响应的测试结果图。

具体实施方式

图4是本发明的AWG型波长复用器结构示意图，基本结构形状与图1相同，不同的是在输入波导和输入平板波导连接处加入了一个带分支的梯形波导耦合器6。6的两端分别与输入波导1以及输入平板波导2连接，相邻波导长度差恒定的波导阵列3连接了输入平板波导2和输出平板波导4，不少于两个的输出波导5与输出平板波导4相连，连接的位置满足表达式(3)。

图5是带分支的梯形波导耦合器6的具体结构，在这个结构中，普通的单模(或准单模)波导12在沿着传播方向逐渐变窄，形成梯形波导14(窄端与AWG波分复用器的输入平板波导2连接)，而在梯形波导14两侧对称地安排了两个梯形波导13a和13b，具体尺寸如图5所示，波导12宽W₁，梯形波导14与波导12连接端的宽度为W₁，与平板波导2连接端的宽度为W₂；波导13a和13b与平板波导2连接端的宽度为W₄，而且在这一端与波导14的间隙为W₃，另外一端宽度为W₅，另外一端与波导14的间隙为W₆；W₃尽可能小，通常以工艺限制为标准，约2μm，这样可以得到比较强的耦合；W₅尽可能小，通常以工艺限制为标准，这里选择2μm；间隙W₆＞W₃；W₄，W₆根据需要选取。L是梯形波导13a和13b的长度，/是梯形波导14具有梯形结构的那部分的长度。

设计的基本原理在于：1、选择较大的间隙W₆，是为了减小这一端的耦合，并且减小对这一端输入波导中场形的破坏，从而减小辐射；2、梯形波导13a和13b逐渐增宽，而且与梯形波导14间距减小，是为了获得足够的耦合并将通过AWGR后的干涉图样场的分布形状展宽为矩形。使用这种模式转换结构可以实现具有低串扰特性的平坦光谱响应波分复用器。

作为比较，我们分析了分别使用本发明的带分支的梯形波导耦合器和传统多模干涉波导作为输入波导时输出通道间隔20nm的波分复用器的输出特性，梯形耦合器的参数见表1，波导厚度为6μm，覆层折射率在波长1.55μm时为1.4450，芯层与覆层的相对折射率差为0.75％。

         表1 梯形耦合器的一种设计的设计参数

          参数                            参数的取值

输入单模波导宽度W₁(μm)                  6.0

梯形波导14窄端宽度W₂(μm)                3.4

梯形波导14的长度L(μm)                    815.0

梯形波导13a和13b的长度l(μm)              815.0

梯形波导13a和13b窄端宽度W₅(μm)          2.0

梯形波导13a和13b宽端宽度W₄(μm)          4.0

梯形波导13a和13b与梯形波导14之间          3.0

最大间隙W₆(μm)                          3.0

梯形波导13a和13b与梯形波导14之间          2.3

最小间隙W₃(μm)                          2.3

设计的AWG的输出通道中心波长间隔为20nm，在与罗兰圆连接处，输出波导间隔为23μm。为了比较我们这个设计的优点，我们同时分析了一个利用多模干涉结构实现平坦谱响应的结果，该多模结构长504.5μm，宽16μm。

图7表示利用带分支的梯型耦合器(实线)和多模干涉结构(虚线)实现的平坦谱响应对比，从图中可以看出采用带分支的梯型波导耦合器实现平坦谱响应具有更小的串扰。

根据传输谱的形状，可以将波分复用器分为高斯型谱响应波分复用器和平坦型谱向应波分复用器。基于上面讨论的梯形波导耦合器，我们可以十分方便地实现具有较宽带宽谱响应的低串扰波分复用器器件。

在有些情况下，梯形波导13a或13b与梯形波导14之间的耦合并不是足够大，这样梯形波导耦合器6的输出场强将具有比较大的峰谷差，导致AWG输出光谱不平坦。

为了优化高斯型以及平坦型波分复用器的带宽和平坦性，本发明采用了在输出波导5与输出平板波导4之间加入梯形波导7的方法，如图6所示。为了简化起见，只画出了输入和输出结构，在图6中的虚线代表平板波导2和4，以及连接平板波导2和4的阵列波导3，L₂为梯形波导7的长度，W7是梯形波导7大底宽度，即与平板波导4连接端的宽度，W8是梯形波导7的小底宽度，即与输出波导5连接端的宽度，该宽度通常与输出波导5宽度相同。其基本原理是：输入波导为带分支的梯形波导耦合器，用于产生具有双峰或三峰结构的干涉图样场分布，而输出波导为梯形波导，用于调整传输谱的平坦性。由于输入波导为耦合器结构，在很多情况下输入波导的具有双峰或三峰结构输出场(或像场)的峰与峰之间的谷处的场强差别很大，输出波导设计为梯形波导的目的是减小由于这种差别所引入的输出不平坦性。

根据本发明上面所述的原理，依照本发明的阵列式波导多路复用/解复用器有如下两种实现方式：

实现方式1，在输入波导1与输入平板波导2之间加入带分支的梯形波导耦合器6，输出波导5与输出平板波导4之间不加入梯形波导，如图8所示，图8是示意图，在实际制作时输入波导数可以是1个，也可以是大于1的任意值，阵列波导的数目可以是大于2的任意数，一般大于100根，输出波导数目是不小于2的任意数；

实现方式2，在输入波导1与输入平板波导2之间加入带分支的梯形波导耦合器6，输出波导5与输出平板波导4之间加入梯形波导7，如图9所示，图9是示意图，在实际制作时输入波导数可以是1个，也可以是大于1的任意值，阵列波导的数目可以是大于2的任意数，一般大于100根，输出波导数目是不小于2的任意数。

另外，根据可逆性原理，这种实现AWG型WDM的宽带宽低串扰谱响应的梯形波导耦合器6既可以放置在波导1和输入平板波导2之间，也可以放置在输出平板波导4与输出波导5之间。放置在输出平板波导4与输出波导5之间时，波导之间的连接特点与放置在波导1和输入平板波导2之间相同，只是将平板波导2换成平板波导4，输入波导1换成输出波导5。这种结构也可以实现具有宽带宽低串扰谱响应的阵列式波导多路复用/解复用器。这样，依照本发明的阵列式波导多路复用/解复用器又可以有如下两种实现方式：

实现方式3，在输出波导5与输出平板波导4之间加入带分支的梯形波导耦合器6，输入波导1与输入平板波导2之间不加入梯形波导，如图10所示，图10是示意图，在实际制作时输入波导数可以是1个，也可以是大于1的任意值，阵列波导的数目可以是大于2的任意数，一般大于100根，输出波导数目是不小于2的任意数；

实现方式4，在输出波导5与输出平板波导4之间加入带分支的梯形波导耦合器6，输入波导1与输入平板波导2之间加入梯形波导7，如图11所示，图11是示意图，在实际制作时输入波导数可以是1个，也可以是大于1的任意值，阵列波导的数目可以是大于2的任意数，一般大于100根，输出波导数目是不小于2的任意数。

根据AWG型WDM的原理，不难发现，只要相邻阵列波导3的长度差设计适当，依照本发明的阵列式波导多路复用/解复用器的输出通道中心波长间隔可以是任意值。依照本发明的阵列式波导多路复用/解复用器可以应用于输出通道中心波长间隔很大的粗波分复用器件中，也可以应用在通道中心波长间隔较小的密集波分复用器件中。

由于在目前波分复用系统中通道中心波长间隔为20nm的粗波分复用器，以及通道中心波长间隔为0.8nm的密集波分复用器应用比较广泛，作为本发明的应用实例，我们设计制作了满足上面4种实现方式的通道中心波长间隔分别为20nm和0.8nm的粗波分复用器和密集波分复用器。

我们设计制作的1dB通带带宽大于16nm的粗波分复用器，该粗波分复用器共有8个输出波导，结构采用实现方式2或4(两者是等价的)。设计的参数如表2所示，表中长度单位为微米。

        表2  实现平坦谱响应的粗波分复用器设计参数

参数	W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	L	l	L2	m	d	D	F
															值	6	4	2.8	6	2	3	15	900	900	1000	6	10	27	3306.6

其中m是衍射级数，d为栅距，D为输出波导间距，F为平板波导焦距，W₇为输出梯形波导输入端口的宽度，L₂为输出梯形波导的长度。

波导的制作的方法是在700微米厚的硅片上利用热氧化的方法生成厚15微米的二氧化硅层，波长1.55μm时为1.4450；再在该二氧化硅层上利用等离子增强化学气相沉积的方法沉积出厚6微米的掺杂层，该层折射率为1.4558，利用反应离子刻蚀的技术刻蚀出具有矩形截面的波导，最后再利用等离子增强化学气相沉积的方法沉积出厚约21微米的上覆盖层，该层折射率在波长1.55μm时为1.4450。

图12是该粗波分复用器部分输出通道光谱响应的测试结果图。从图中可以看出1dB带宽为17.4nm，大于输出通道中心波长间隔的85％，而非相邻串扰好于38dB。

另外，我们还依照本发明设计制作了通道间隔为0.8nm的密集波分复用器，该密集波分复用器具有40个输出通道，其设计方法为方法1和3(两者是等价的)，设计参数如表3所示，表中长度单位为微米。

     表3  实现平坦谱响应的密集波分复用器设计参数

W1

W2

W3

W4

W5

W6

L

l

m

d

D

F

参数

6

3.2

2.4

4

2

3

815

815

30

12

23

16610

其中m是衍射级数，d为栅距，D为输出波导间距，F为平板波导焦距。波导厚度为6μm，覆层折射率在波长1.55μm时为1.4450，芯层与覆层的相对折射率差为0.75％。波导制作同上述的粗波分复用器的制作。

图13是该密集波分复用器部分输出通道光谱响应的测试结果图。从图中可以看出1dB带宽为0.44nm，大于相邻输出通道中心波长间隔的55％，相邻串扰好于27dB，而非相邻串扰好于37dB。

从上面的测试结果可以看出，基于这种带分支的梯形波导耦合器结构，可以很方便地实现宽带宽谱响应的波分复用器器件，而且串扰非常的低。

实施例中的各个参数并不是唯一的，输入、输出波导可以是大于或等于1的任意数，波分复用器的阵列波导数目可以是大于2的任意数，其它参数可以在本发明精神下任意选取。实施例中采用相邻输出通道中心波长间隔为20nm以及0.8nm的粗波分复用器和密集波分复用器，是因为这两种器件应用比较多，具有代表性，在实际应用中，可以在本发明的精神下制作包括20nm以及0.8nm在内的各种相邻输出通道中心波长间隔的波分复用器件。

Claims (6)

1、一种阵列式波导多路复用/解复用器，包括输入波导(1)、输入平板波导(2)、波导阵列(3)、输出平板波导(4)、输出波导(5)，相邻波导长度差恒定的波导阵列(3)连接了输入平板波导(2)和输出平板波导(4)，不少于两个的输出波导(5)与输出平板波导(4)相连，其特征是：在输入波导(1)与输入平板波导(2)或者输出波导(5)与输出平板波导(4)之间接入了一个带分支的梯形波导耦合器(6)，带分支的梯形波导耦合器(6)包括普通的单模或准单模波导(12)及在沿着从波导到平板波导方向逐渐变窄的梯形波导(14)，即梯形波导(14)的窄端与平板波导连接，在梯形波导(14)的两侧反向对称放置两个梯形波导(13a)和(13b)，即梯形波导(13a)和(13b)的宽端与平板波导连接。

2、根据权利要求1所述的阵列式波导多路复用/解复用器，其特征是：两个梯形波导(13a)和(1 3b)的宽端与梯形波导(14)的间隙W₃小于另一端即窄端与梯形波导14的间隙W₆。

3、根据权利要求1或2所述的阵列式波导多路复用/解复用器，其特征是：带分支的梯形波导耦合器(6)在输入端，普通的单模或准单模波导(12)及在沿着从波导到平板波导方向逐渐变窄形成梯形波导(14)，即梯形波导(14)的窄端与输入平板波导(2)连接，在梯形波导(14)的两侧反向对称放置两个梯形波导(13a)和(13b)，即梯形波导(13a)和(13b)的宽端与输入平板波导(2)连接。

4、根据权利要求1或2所述的阵列式波导多路复用/解复用器，其特征是：带分支的梯形波导耦合器(6)在输出端时，带分支的梯形波导耦合器(6)包括普通的单模或准单模波导(12)及在沿着从输出波导到输出平板波导(4)方向逐渐变窄的梯形波导(14)，即梯形波导(14)的窄端与输出平板波导(4)连接，在梯形波导(14)的两侧反向对称放置两个梯形波导(13a)和(13b)，即梯形波导(13a)和(13b)的宽端与输出平板波导(4)连接。

5、根据权利要求3所述的阵列式波导多路复用/解复用器，其特征是：带分支的梯形波导耦合器(6)在输入端时，在输出平板波导(4)与输出波导(5)之间由梯形波导(7)连接，梯形波导(7)的宽端与输出平板波导(4)连接，其窄端与输出波导(5)连接，其窄端宽度与输出波导(5)的宽度相同。

6、根据权利要求4所述的阵列式波导多路复用/解复用器，其特征是：带分支的梯形波导耦合器(6)在输出端时，在输入平板波导(2)与输入波导(1)之间由梯形波导(7)连接，梯形波导(7)的宽端与输入平板波导(2)连接，其窄端与输入波导(1)连接，其窄端宽度与输入波导(1)的宽度相同。

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